無線傳感器節點（ WSN ）在促進物聯網（ IoT ）發展方麵發揮著關鍵作用。WSN的優點在於，它的功耗極低

，尺寸極小，安裝簡便。對很多物聯網的應用而言，譬如安裝在室外的應用，WSN可使用太陽能供電。當室內有光，係統就由太陽光供電，同時為細小紐扣電池或超級電容器充電，以在沒有光的情況下為係統供電。

 

在一般情況下，無線傳感器節點是傳感器為基礎的設備
，負責監察溫度
、濕度或壓力等條件。節點從任何類型的傳感器收集數據，然後以無線方式傳遞數據到控製單位
，譬如計算機或移動設備
，並在此處理
、評ping估gu數shu據ju，並bing采cai取qu行xing動dong。理li想xiang情qing況kuang下xia
，節jie點dian可ke以yi由you能neng量liang收shou集ji機ji製zhi獲huo得de作zuo業ye電dian源yuan，成cheng為wei獨du立li運yun作zuo的de設she備bei。從cong一yi般ban意yi義yi上shang講jiang
，能neng量liang收shou集ji的de過guo程cheng是shi捕bu捉zhuo並bing轉zhuan換huan來lai自zi光guang
、振動，或熱等來源的極少量能量為電能的過程。

 

圖 1：能量收集係統設計示例

 

圖 1 顯示了能量收集係統的框圖。能量是由能量收集係統 （如太陽能板）收集，並由電源管理集成電路 (IC) (PMIC) 轉換成穩定的能量
，再使用低漏
、低阻抗的電容器儲存。這些能源能供給傳感器接口負載 （譬如微控製器MCU）
，而MCU是用無線方式來傳送數據的傳感器。本圖中
，能量收集傳感器（ EHS ）是無線傳感器節點。

 

圖 2：無線傳感器節點係統示例

 

圖2顯示了無線傳感器節點的框圖。在這裏，已處理的傳感器數據會透過低功耗藍牙（ BLE ）以無線方式傳輸。BLE 是用於短距離
、低功耗無線應用的標準，以交流狀態或控製信息。BLE 在2.4 GHz ISM 頻帶及二進製頻移鍵控（GFSK）調製下運作，此支持1 Mbps 的數據速率。

 

而電源管理 IC是用來穩定能量收集設備所要求的功秏，以支持其超低功耗的運作。 打個比方，賽普拉斯S6AE103A PMIC 器件的電流消耗低至280 nA，啟動功率為 1.2uW（見圖3）。因此，在約100勒克斯（lx） 的低亮度的環境中，緊湊型太陽能電池依然可以獲得少量的能量。

 

圖 3：用於能量收集的S6AE103A PMIC 器件框圖

 

 

讓我們考慮一下設計無線傳感器節點所涉及的步驟：

 

 

在硬件方麵，你需要適當的傳感器，一台最終能用能量收集設備供電的MCU及 PMIC。你可能需要額外的無源組件
，此視乎設計而定。

 

傳感器可以是仿真或數字形式。現今市麵上很多傳感器是使用基於集成電路總線（I2C）、串行外設接口 （SPI）或異步收發傳輸器（UART）界麵為標準的數字傳感器。電耗極低的傳感器在市麵上亦有售。為了保持設備成本維持低水平
，外形小巧，配有綜合BLE的MCU能夠簡化設計

，並縮短推出市場的時間。為了進一步加快設計，許多廠商都使用完全綜合
，完全通過認證的可編程模塊，例如賽普拉斯EZ-BLE Modules。模塊由一個主要MCU、兩塊結晶
、芯片或跟蹤天線、擴展板及無源組件組成。由於這些模塊已經擁有必須的BLE認證，產品可以快速推出市場。

 

圖 4：BLE模塊示例：太陽能供能的低功耗藍牙傳感器信標CYALKIT-E02

 

 

選擇了可編程的MCU 後
，下一步就是編寫適當的固件。固件需要具備的基本功能是收集傳感器數據的接口，用無線傳送數據的BLE組件或堆棧，和能夠負責固件處理的CPU。

 

由於超低耗運作是關鍵，電流消耗總和需要由一開始納入考慮。總計電流消耗是傳感器所消耗的電流及MCU 所消耗的電流總和。由於傳感器通常不會消耗太多的總電流，其重點應該放在如何將MCU所消耗的電流減至最低。在優化電流之前，要考慮在MCU內在消耗電流的三個主要的組件：CPU

、傳感器接口模塊（如 I2C 、SPI 等）和BLE子係統。這裏，當無線電收音機開動（例如BLE Tx及Rx），電流的主要消費者會是BLE電收音機。

 

嵌入式 MCU tigonggezhongdigonghaomoshi
，yijianshaodianliuxiaohao。gujianshejirenyuanxuyaokaolvzhexiedigonghaomoshiheshejidaima
，zheyang
，pingjundianliudexiaohaojiunengjianzhizuidi。liru，chuanganshujubingbushishunsubiangengde，gujianxuyaojianzhongsaomiaochuanganshuju（例如每隔 5 至 10 秒鍾，時間間隔視乎傳感器而定）。傳感器的已讀數據通過 BLE， 以無線方式傳輸。

 

就 BLE 固件而言，傳感器可以連同 BLE 廣播包將數據發送。我們建議不要連同廣播包轉送太多其他數據，因為這樣會進一步增加電流。在廣播間隔與傳感器掃描間隔之間
， MCU需進入低功耗模式，譬如是「休眠功能 」。低電耗定時器就如看門狗定時器，可以在定時器倒數完畢時，喚醒設備。 為了使用低功耗操作，MCU進行了優化，提供一個 BLE 內部定時器
，當廣播間隔結束
，可喚醒進入了休眠功能的設備。圖 5顯示了操作的固件流程。

 

圖 5：為高效無線傳感器節點設計而設立的固件流程

 

隻要設計好固件，您可以測量電流。你可以使用原型電路板測量電流。請注意，MCU的啟動及低耗模式的電流需要獨立量度。隻要你知道MCU分別以啟動及低耗模式操作的時間，平均的電流消耗是：

 

 

有了平均電流的數字，你就可以將它乘以PMIC電壓，從而找出平均功率。

 

 

情況有可能是，初始計算出的設計功率的太高
，太陽能 PMIC 無法支持。如果是這樣，你就需要優化固件。這裏有幾個有效方法來執行此操作：

 

執行優化 MCU 的啟動代碼：當MCU 正在啟動，你不需要使用如24MHz晶產時鍾的高頻外部時鍾，以操作BLE。最zui初chu就jiu關guan掉diao此ci時shi鍾zhong，能neng夠gou節jie約yue能neng源yuan。再zai者zhe，時shi鍾zhong晶jing體ti可ke以yi利li用yong這zhe些xie時shi間jian穩wen定ding下xia來lai，而er其qi亦yi是shi啟qi動dong的de其qi中zhong一yi個ge部bu件jian。這zhe些xie時shi鍾zhong漸jian漸jian穩wen定ding下xia來lai
，MCU 可ke以yi再zai次ci調tiao較jiao至zhi低di耗hao模mo式shi，內nei部bu低di頻pin時shi鍾zhong可ke以yi在zai時shi鍾zhong預yu備bei好hao的de時shi候hou喚huan醒xing設she備bei。簡jian而er言yan之zhi，啟qi動dong代dai碼ma的de執zhi行xing時shi間jian可ke以yi很hen長chang，並bing且qie固gu件jian設she計ji人ren員yuan需xu要yao盡jin量liang減jian少shao啟qi動dong電dian流liu消xiao耗hao。

 

a. 降低主 CPU 運作頻率

 

b. 在進入低功率模式前
，控製驅動模式，以防止MCU引腳泄漏電流。

 

c. 如果MCU支持任何調試接口，要將它們廢除。

 

這些步驟有助降低平均電流消耗。

 

 

有了功耗優化的固件，是時候基於PMIC設計硬件 。圖 6 顯示了一個簡單以能量收集基礎的 PMIC 設計。

 

圖 6：簡單的能量收集設計

 

在 PMIC 首先儲存太陽能到儲存的設備 VSTORE1 (VST1)，此事例為一個300-μF 的陶瓷電容器。當 VST 1 達到 VOUTH V
，能量就可以發送到 MCU 。但這個簡單的能量收集設計不能全日運作，原因是沒有備份電容器。讓我們來看看，備份電容器如何加配到PMIC設備，和電容器能夠如何幫忙MCU。

 

圖 7：能量收集與備份電容器

 

操作WSN 所需的能量首先存儲在 VST 1
，剩餘的能量用於 VST 2充電 。存儲在 VST 2 的能量可於沒有光線照射的情況下持續提供予 WSN 。此外，還可以連接一個額外的紐扣電池到 PMIC
，以增加可靠性，如圖8所示 。

 

圖 8：多個電源輸入的能量收集

 

PMIC 轉換兩種電源來源
，以便 WSN 可以在所有條件下（即使沒有燈光的情況）運行。轉換自動產生，使能源在有需要時供應給WSN 。因此，這可能是 WSN的 最適當的硬件設計。

 

 

連接到無線傳感器節點的用戶界麵設計可以是用WSN傳輸，以接收數據的手機應用
，就是這麼簡單。由於傳感器的數據可能會在廣播包固定位置出現，BLE應用可以設計到能夠從這些位置提取相關數據，並將數據顯示到你的手機上。這種技術可用於管理多個 WSNs 構成的複雜網絡。